纖維取向?qū)C4/PEEK/Cf層板抗高速沖擊性能的影響

滕 威，高立新，袁瀟灑，王夢麟，薛鵬博，吳焱兵，潘 蕾

(1.南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210016； 2.南京航空航天大學(xué) 馬克思主義學(xué)院，南京 210016；3.中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司，上海 200241； 4.中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，西安 710089)

纖維金屬層板(fiber metal laminates，F(xiàn)MLs)是由樹脂基復(fù)合材料和金屬薄板交替疊層鋪放成預(yù)設(shè)樣式后，在一定工藝下固化成型的一種層間混雜結(jié)構(gòu)[1-2]。TC4/PEEK/Cf層板不僅將Cf/PEEK復(fù)合材料優(yōu)異的抗疲勞性能、高比強度等與TC4金屬薄板的耐蝕性、耐高溫性能等結(jié)合起來，而且其抗沖擊破壞性能、承載能力也較好[3-5]。當其應(yīng)用于飛機的結(jié)構(gòu)件例如高溫壓氣機葉片、高超音速飛機殼體、機翼等難免會出現(xiàn)碰撞沖擊問題，而高速沖擊的危害比低速沖擊更加嚴重。所以研究TC4/PEEK/Cf層板在高速沖擊下的響應(yīng)特征和損傷破壞機理等是保障航空安全的重要問題。

目前，國內(nèi)外對于樹脂基復(fù)合材料和纖維金屬層板的沖擊問題進行了大量的研究。樹脂基復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用，對其抗沖擊性能的研究也較普遍。Higuchi等[6]對碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料層板(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)進行空氣炮高速沖擊試驗，研究了其穿透和損傷破壞行為；Katunin等[7-8]對比分析了幾種復(fù)合材料層板低速反復(fù)沖擊行為；汪洋等[9]模擬冰雹高速撞擊復(fù)合材料層板，研究不同參數(shù)對層合板失效模式和損傷情況的影響。

基于復(fù)合材料層板沖擊問題的研究方法和成果，眾多學(xué)者在纖維金屬層板抗沖擊問題上進行了探索。Sangsefidi等[10]研究了剛性、半剛性和可變形彈丸對Glare層板高速沖擊能量吸收機制和損傷破壞形貌的影響；Sharma等[11]研究了Glare層板金屬層厚度和鋪放結(jié)構(gòu)對其抗高速沖擊性能的影響；Zhu等[12]針對FMLs高速沖擊問題建立了精確描述層板復(fù)雜損傷模式和破壞失效過程的材料損傷本構(gòu)關(guān)系。

以往在樹脂基復(fù)合材料及FMLs抗沖擊性能方面的研究主要集中在熱固性樹脂基層板，而TC4/PEEK/Cf層板是一種新型熱塑性樹脂基層板，對該層板在高速沖擊問題上的研究相對較少。本文通過高速沖擊試驗，探究纖維取向?qū)C4/PEEK/Cf抗高速沖擊性能的影響，并對有限元模型進行驗證，分析層板高速沖擊下?lián)p傷破壞機制和沖擊響應(yīng)特征。

1 試 驗

1.1 試驗材料及試樣制備

制備TC4/PEEK/Cf層板所用材料是TC4金屬薄板、Cf/PEEK預(yù)浸料和PEEK膠膜。本文所用TC4金屬薄板是由江蘇雙威金屬材料有限公司生產(chǎn)，單層厚度為0.3 mm；所用單向Cf/PEEK預(yù)浸料是由英國ICI公司生產(chǎn)，單層厚度為0.125 mm；所用PEEK膠膜是由英國VICTREX公司生產(chǎn)，單層厚度為0.1 mm。3種材料的基本性能參數(shù)分別如表1～表3所示。

表1 TC4金屬薄板基本性能參數(shù)

表2 Cf/PEEK預(yù)浸料基本性能參數(shù)

表3 PEEK膠膜基本性能參數(shù)

為了提高TC4/PEEK/Cf層板中TC4金屬薄板和Cf/PEEK預(yù)浸料界面結(jié)合強度，對TC4金屬薄板進行了噴砂+陽極氧化表面處理。考慮到TC4/PEEK/Cf層板的成型溫度高，常規(guī)熱壓罐成型工藝并不太適用，故使用如圖1所示的XLB-D400×400×1的平板硫化機及工藝曲線進行熱壓成型。

圖1 熱壓成型設(shè)備及工藝路線Fig.1 Hot pressing molding equipment and process route

1.2 高速沖擊試驗裝備及方案

高速沖擊試驗采用空氣炮裝置進行，裝置示意圖及實物圖如圖2所示，由氣泵、炮管、彈拖分離器、紅外速度感應(yīng)器、防護艙和夾具組成。夾具由上下模組成，四周設(shè)置螺栓固定孔，下模設(shè)置有凹槽，便于放置試樣，且可避免在試樣四周鉆孔裝夾對其性能的損害，夾緊后，開口部分尺寸為120 mm×70 mm。

層板經(jīng)熱壓制備成型后，按夾具尺寸裁剪為150 mm×100 mm×1.8 mm沖擊試樣。由于高速沖擊速度大，沖擊物尺寸較小，所以擬采用直徑為9 mm質(zhì)量為3 g的球狀沖擊物。分別在不同的速度點下沖擊不同纖維取向的TC4/PEEK/Cf層板，具體方案如表4所示。編號OE1～OE3中，“O”為纖維取向；“E”為試驗研究。

圖2 空氣炮高速沖擊裝置示意圖和實物圖Fig.2 Schematic diagram and physical drawing of air gun high speed impact device

2 數(shù)值模擬方案

2.1 有限元模型的建立

本文采用ABAQUS軟件數(shù)值模擬軟件模擬層板受高速沖擊過程，在模型網(wǎng)格劃分上采取沖擊中心區(qū)域網(wǎng)格細化、四周網(wǎng)格粗化的方式來均衡求解效率和求解精度。TC4金屬層、Cf/PEEK復(fù)合材料層和沖擊物均采用C3D8R單元，并采用COH3D8單元模擬沖擊過程中金屬/復(fù)合材料界面響應(yīng)。限制XYZ方向上的所有自由度為0，層板各層之間設(shè)置綁定約束方式(Tie)，沖擊物與層板間采用非線性通用接觸方式(general contact explicit)，采用罰剛度接觸算法(Penalty)計算沖擊過程中的潛在接觸，并設(shè)置摩擦因數(shù)為0.3。建立的有限元模型如圖3所示。

表4 不同纖維取向?qū)影鍥_擊試驗方案

圖3 TC4/PEEK/Cf層板高速沖擊非線性有限元模型Fig.3 High-speed impact nonlinear finite element model of TC4/PEEK/ Cf laminates

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系及失效模型

使用Johnson Cook模型建立TC4金屬層本構(gòu)關(guān)系及失效參數(shù)[13-14]以反映應(yīng)變硬化、應(yīng)變率硬化和溫度軟化對金屬強度極限影響；Cf/PEEK是典型的橫觀各向異性纖維增強復(fù)合材料，故采用橫觀各向異性本構(gòu)關(guān)系[15]并使用能較全面反映其在沖擊過程中4種損傷類型的Hashin準則；高速沖擊過程中，金屬/復(fù)合材料界面在混合模式(模式I、模式II)下常發(fā)生分層失效，為此，引入基于牽引-分離描述的內(nèi)聚力模型模擬界面分層失效[16]。

3 結(jié)果與討論

3.1 損傷模式和失效機理

圖4是不同纖維取向的層板未擊穿時正面、背面及截面損傷形貌?？梢园l(fā)現(xiàn)，OE1，OE2和OE3層板在沖擊后正面均出現(xiàn)沖擊物壓入留下的凹坑和周向裂紋，背面均出現(xiàn)金屬塑性變形后留下的鼓包和金屬開裂。這可能是由于沖擊物接觸層板時，壓縮應(yīng)力波沿層板厚度方向傳播，在不同介質(zhì)交界處，部分壓縮應(yīng)力波反射回原介質(zhì)，并轉(zhuǎn)化為沿層板面內(nèi)徑向傳播的拉伸應(yīng)力波。金屬層在高值壓縮應(yīng)力和拉伸應(yīng)力作用下，正面形成金屬塑性變形凹坑和周向開裂，背面形成鼓包和裂紋。

OE1，OE2和OE3層板在稍高速度點未擊穿時截面破壞區(qū)域均呈“V”形，主要損傷破壞模式是鈦合金塑性變形、金屬/復(fù)合材料界面分層和沖擊物作用中心區(qū)域復(fù)合材料碎裂折斷，還可發(fā)現(xiàn)較小部分的復(fù)合材料層間分層。原因可能是壓縮應(yīng)力波在不同介質(zhì)間沿層板厚度方向傳播時，由于介質(zhì)差異會發(fā)生部分反射，反射的壓縮應(yīng)力波轉(zhuǎn)化為沿層板面內(nèi)徑向的拉伸應(yīng)力波，不同介質(zhì)中徑向拉伸應(yīng)力不同，從而產(chǎn)生金屬/復(fù)合材料界面的分層；又由于層板上半部分先接觸沖擊物，可充分耗散沖擊能量，造成下半部分未能充分發(fā)揮耗散沖擊能量的潛力，所以破壞區(qū)域呈“V”形。

圖5是不同纖維取向?qū)影鍝舸顟B(tài)下正面、背面及截面形貌?？捎^察到層板正面被沖擊后形成圓環(huán)狀柱塞和沿層板徑向擴展的裂紋，沖擊斷口處金屬呈壓延斷裂特征，背面出現(xiàn)“C”形金屬掀開斷裂。從圖5(a)和圖5(b)中可以觀察到層板正面金屬裂紋主要沿著與其縱向呈一定角度擴展，在層板橫向擴展的金屬裂紋尺寸較小，但在圖5 (c)中金屬裂紋呈十字交叉狀，另外，OE3層板沖擊后復(fù)合材料碎裂劈開更嚴重，金屬背面開裂方向與上述特征類似。

圖4 不同纖維取向?qū)影逦磽舸顟B(tài)下正面，背面及截面形貌Fig.4 Morphology of front, back and section of laminates with different fiber orientations without breakdown

圖5 不同纖維取向?qū)影鍝舸顟B(tài)下正面，背面及截面形貌Fig.5 Morphology of front, back and section of laminates with different fiber orientations under breakdown state

對比圖5中3種纖維取向?qū)影褰孛嫘蚊策€可發(fā)現(xiàn)，OE1和OE2層板在沖擊物作用中心附近出現(xiàn)嚴重的復(fù)合材料彎曲、擠壓碎裂和較輕的復(fù)合材料內(nèi)部層間分層，而OE3層板在此區(qū)域的損傷形貌特征與OE1和OE2層板相反，反而是復(fù)合材料內(nèi)部層間分層更嚴重，且該類型層板整體分層區(qū)域和前兩者相比要大，說明OE3層板在高速沖擊載荷下可通過更大范圍的損傷來耗散沖擊能量，從而展現(xiàn)出良好的抗沖擊性能，而其他纖維取向?qū)影鍥_擊破壞區(qū)域集中在較小范圍，不能更好的發(fā)揮此作用。

3.2 有限元模型的驗證

為了驗證所建非線性有限元模型的準確性以及后續(xù)的數(shù)值仿真研究，本文采用直徑9 mm質(zhì)量3 g的軸承鋼圓球沖擊物進行5種纖維取向TC4/PEEK/Cf層板的沖擊仿真，具體方案如表5所示，編號OS1～OS5中：“O”為纖維取向；“S”為模擬研究。

本文分別對比了0°/30°，0°/45°和0°/90° 3種纖維取向的層板在不同沖擊速度下的初始速度-剩余速度擬合曲線、彈道極限和截面形貌的試驗與模擬結(jié)果，論證了所建有限元模型的有效性。

圖6是0°/30°，0°/45°和0°/90° 3種纖維取向的層板沖擊后初始速度-剩余速度擬合曲線試驗和模擬結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，模擬和試驗結(jié)果曲線走勢一致，隨著沖擊速度的增加，兩者之間的差距有縮小的趨勢。

表5 不同纖維取向?qū)影鍥_擊仿真方案

圖6 不同纖維取向?qū)影宓某跏?剩余速度擬合關(guān)系曲線試驗和模擬結(jié)果Fig.6 Experimental and simulation results of initial-residual velocity fitting curves for laminates with different fiber orientations

表6所示為0°/30°，0°/45°和0°/90°三種纖維取向鋪層的層板在球形沖擊物高速作用下的彈道極限的具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)。其試驗和模擬結(jié)果誤差率分別為11.8%，12.1%和12.7%，這低于Schwab等[17]采用試驗和數(shù)值模擬方法研究纖維鋪層交叉角度對層板抗沖擊性能時的誤差率。

圖7是0°/30°和0°/45°兩種纖維取向的層板沖擊后截面形貌試驗和模擬結(jié)果對比?？梢园l(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果截面形貌能大致反映實際試驗時層板沖擊后的損傷破壞特征，上述結(jié)果進一步說明了針對不同纖維取向?qū)影逅ㄓ邢拊Ｐ偷挠行院瓦m用性。

表6 不同纖維取向?qū)影鍙椀罉O限試驗和模擬結(jié)果

圖7 不同纖維取向?qū)影鍥_擊后截面形貌試驗和模擬結(jié)果Fig.7 Cross section morphology test and simulation results of different fiber orientations after impact

3.3 數(shù)值仿真研究

為評估纖維取向?qū)影鍥_擊性能的影響，采用驗證后的有限元模型對不同纖維取向的層板分析其初始速度-剩余速度擬合曲線、彈道極限和能量耗散率曲線來總結(jié)其沖擊響應(yīng)特征。

圖8是不同纖維取向?qū)影逶诓煌瑳_擊速度作用后初始速度-剩余速度擬合關(guān)系曲線、彈道極限對比以及能量耗散率曲線。圖8(a)和圖8(b)可以發(fā)現(xiàn)，在相同剩余速度時，OS3層板所需沖擊速度最大，原因可能是纖維交叉角度越大，層板在面臨高能沖擊壓縮應(yīng)力和由此引起的面內(nèi)拉伸應(yīng)力作用時能更好的將應(yīng)力分散，發(fā)揮整體耗散沖擊能量作用；OS3層板具有最大彈道極限為171.1 m/s，OS4層板具有最小彈道極限為122.1 m/s，隨著纖維交叉角度的減小，層板的彈道極限呈下降趨勢；圖8(c)中，各層板能量耗散率總體變化趨勢是隨著沖擊速度增加，能量耗散率降低，降低的速率變小，OS3層板相應(yīng)曲線在最右上方，OS4層板相應(yīng)曲線在最左下方，即在相同沖擊速度下，OS3層板能量耗散率最高。

以上現(xiàn)象說明，纖維交叉鋪放相對于單向鋪放層板在高速沖擊時能更有效的耗散沖擊能量，其中0°/90°鋪層層板耗散沖擊能量效率最高，抗沖擊性能最好。

圖8 不同纖維取向?qū)影逶诓煌瑳_擊速度作用Fig.8 Laminates with different fiber orientations are subjected to different impact velocities

圖9是不同纖維取向?qū)影逶?80 m/s左右擊穿時速度和加速度隨時間變化特征。從圖9(a)可以發(fā)現(xiàn)，在沖擊物與層板作用過程中，其速度先急劇降低，然后較緩和降低，最后趨于不變，OS4層板與交叉鋪放層板相比，沖擊后剩余速度更大，纖維交叉鋪層角度越大，層板沖擊后剩余速度越小。說明單向鋪層層板抵抗沖擊物穿透能力較弱，纖維鋪層交叉角度越大層板抗擊穿性能越好，纖維鋪層角度為0°/90°的層板抗擊穿性能最好。

從圖9(b)可以發(fā)現(xiàn)，在沖擊物與層板作用過程中，加速度具有先急劇增加，然后逐漸降低的趨勢，在0～20 μs內(nèi)，層板對沖擊物減速效果達到最大，這與圖9(a)中曲線變化規(guī)律相對應(yīng)；OS4層板對沖擊物的減速效果弱于交叉鋪層層板，表現(xiàn)為OS4層板加速度曲線基本在交叉鋪層層板之上；隨著纖維交叉角度增加，層板減速效果變大，其中OS3層板具有最好的減速效果，其加速度最大為-3 310 km/s2。原因可能是纖維單向鋪層時，層板容易發(fā)生局部破壞，不能很好的發(fā)揮整體耗散沖擊能量作用，而交叉鋪層能更好的調(diào)動層板整體耗散沖擊能量作用。

圖10、圖11分別選取了OS2和OS3層板在相似速度沖擊下7.5 μs時刻的瞬時應(yīng)力分布和損傷情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，OS2層板TP1，TP2層應(yīng)力分布在與層板橫向呈一定角度的橢圓中，而OS3層板TP層瞬時應(yīng)力分布在較規(guī)則的圓形區(qū)域內(nèi)，說明纖維取向會影響層板高速沖擊過程中金屬層應(yīng)力波的擴展。

圖9 不同纖維取向?qū)影逶?80 m/s左右擊穿時Fig.9 When the laminates with different fiber orientations break down at about 180 m/s

CP層應(yīng)力分布特征同樣受到纖維取向的影響，其分布規(guī)律與上述TP層類似。CP1分層損傷區(qū)域小于CP2層，可能是由于沖擊物先與層板上部作用，沖擊能量較大，沖擊物可瞬時穿過層板上部，待與層板下部作用時，沖擊物剩余能量不足以瞬時擊穿層板，而充分與其作用，因此CP2分層更嚴重。與OS2層板相比，OS3層板在稍高速度點下，無論正面還是背面CP層的分層區(qū)域均比OS2層板相應(yīng)位置要小，說明增大纖維鋪層交叉角度有利于減小金屬/復(fù)合材料界面分層損傷區(qū)域。

注：TP.TC4金屬層；CP.內(nèi)聚力層；FP.復(fù)合材料層。圖10 OS2層板在196 m/s速度下7.5 μs時刻各層應(yīng)力云圖Fig.10 Stress nephogram of OS2 laminates at 7.5 μs time at 196 m/s speed

注：TP.TC4金屬層；CP.內(nèi)聚力層；FP.復(fù)合材料層。圖11 OS3層板在201 m/s速度下7.5 μs時刻各層應(yīng)力云圖Fig.11 Stress nephogram of OS3 laminates at 7.5 μs time at 196 m/s speed

從FP層可以發(fā)現(xiàn)，沖擊時復(fù)合材料層中應(yīng)力波主要沿著纖維方向擴展，層板上部FP1-FP2單層復(fù)合材料中應(yīng)力分布范圍小于層板下部FP7-FP8中相應(yīng)范圍，原因可能與上述類似。

4 結(jié) 論

(1) 不同纖維取向的TC4/PEEK/Cf層板在高速沖擊未擊穿狀態(tài)下正面形成凹坑和周向裂紋，背面出現(xiàn)鼓包、金屬開裂和復(fù)合材料折斷，損傷破壞模式主要是復(fù)合材料層間分層和金屬塑性變形；擊穿狀態(tài)下，層板正面損傷區(qū)域較小，出現(xiàn)沿面內(nèi)徑向擴展的裂紋、周向擴展的金屬壓延斷口，背面損傷區(qū)域較大，出現(xiàn)花瓣狀金屬開裂和復(fù)合材料斷裂，損傷破壞模式主要是金屬/復(fù)合材料界面分層、復(fù)合材料碎裂折斷及其層間分層。

(2) TC4/PEEK/Cf層板在球形沖擊物作用下試驗和仿真彈道極限誤差在12%左右，試驗和模擬結(jié)果存在一定差異，但誤差率均在現(xiàn)有技術(shù)水平之內(nèi)。且數(shù)值仿真結(jié)果和實際試驗時層板受高速沖擊的響應(yīng)特征和損傷破壞形貌較為吻合，驗證了所建有限元模型的有效性和適用性。

(3) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，TC4/PEEK/Cf層板受沖擊后的的能量耗散率和彈道極限隨著鋪層交叉角度的增加而增大，剩余速度則隨著鋪層交叉角度的增加而減小。同時纖維鋪層交叉角度會影響層板應(yīng)力波的擴展，增大鋪層交叉角度有利于減小金屬/復(fù)合材料界面分層損傷區(qū)域。以上現(xiàn)象說明增加纖維鋪層交叉角度可提高層板抗沖擊性能，0°/90°鋪層層板抗外物擊穿能力最好。